橡膠拉伸斷裂能與磨耗性能的關系研究

崔玉香，孫舉濤，劉 堯

（1.青島安普泰科電子有限公司，山東 青島 266108；2.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042）

橡膠磨耗過程非常復雜，影響因素眾多。雖然人們對橡膠的磨耗過程[1-2]、磨耗機理[3-4]和影響因素[5-6]進行了很多研究，但對影響橡膠耐磨耗性能的決定性因素仍然沒有得到共識，對在一定條件下預測橡膠制品的磨耗性能仍缺乏科學的認識。橡膠的耐磨性能從本質上取決于強度、彈性滯后、疲勞和摩擦等較為簡單的物理性能，因此基于基本物理性能來構建橡膠制品耐磨耗性能的預測模型一直是人們關注的重點。雖然P.Thavamani等[7]、A.N.Gent等[3]和N.Amino等[8]分別建立了基于彈性模量、摩擦功和滯后性能的耐磨耗性能預測公式，但這些關系式大多針對一定類型的彈性體或一定的試驗方法，有些公式所需的物理性能需要特殊的測試設備才能得到，因此應用范圍有限。橡膠的拉伸斷裂能與其強度、彈性模型和拉斷伸長率等物理性能密切相關，因此對硫化膠的磨耗性能有重要影響。K.A.Grosch等[9]采用針式磨耗儀研究了拉伸斷裂能與磨耗強度的關系，發(fā)現(xiàn)其與磨耗強度具有較好的線性關系。

目前的橡膠磨耗性能測試誤差比較大，而硫化體系（硫黃和促進劑）對磨耗性能的影響又比較小，如果固定促進劑或硫黃用量，研究另一變量對磨耗的影響，其磨耗量相差很小，而誤差又比較大，不適合做規(guī)律性的研究。因此本工作設計了4個硫化體系和3個膠種，采用阿克隆和DIN磨耗儀，研究硫化膠拉伸斷裂能與磨耗量的關系，為在一定條件下預測橡膠制品的磨耗特性和磨耗壽命提供有效判據和理論依據。

1 實驗

1.1 主要原材料

丁苯橡膠（SBR，牌號1500E）、順丁橡膠（BR，牌號9000），中國石化齊魯石化公司產品；天然橡膠（NR），牌號SMR20，馬來西亞產品；炭黑，青島德固賽化學有限公司產品。

1.2 試驗配方

SBR、NR和BR的普通硫化體系（CV）、有效硫化體系（EV）、半有效硫化體系（SEV）和平衡硫化體系（EC）的配方分別如表1～3所示。

表1 SBR配方 份

表2 NR配方 份

表3 BR配方 份

1.3 主要設備和儀器

Z-005型電子拉力機，德國Zwic公司產品；JC-1007型橡膠沖擊彈性試驗機，精誠測試儀器（上海）有限公司產品；LX-A型橡膠硬度計，上海險峰電影機械廠產品；GT-7012-A型阿克隆磨耗機、GT-7017型老化試驗箱，高鐵科技股份有限公司產品。

1.4 試樣制備

在開煉機上加入橡膠，待生膠包輥后依次加入氧化鋅、硬脂酸、促進劑等小料，混煉均勻后加入炭黑，左右各割膠3次，混煉均勻后將輥距調至1 mm，薄通6次下片。按硫化儀測定膠料的正硫化時間（t90），在平板硫化機上于150 ℃/15 MPa×t90條件下硫化試樣。

1.5 性能測試

各項性能均按相應國標進行測試。拉伸斷裂能是指試樣拉斷過程中拉伸曲線下包圍的面積，由電子拉力機直接給出，測5個試樣，取中值。

2 結果與討論

2.1 硫化體系對膠料物理性能的影響

硫化體系對SBR，NR和BR物理性能的影響如表4所示。

表4 硫化體系對SBR，NR和BR物理性能的影響

在不同硫化體系下，SBR，NR和BR的交聯(lián)密度和交聯(lián)鍵類型都有較大的差別，因此硫化膠的基本物理性能和拉伸斷裂能均有一定的差異。

2.2 拉伸斷裂能與磨耗性能的關系

橡膠的磨耗破壞過程也是斷裂過程，因此橡膠的拉伸斷裂能對耐磨性能有一定的影響。SBR，NR和BR硫化膠的拉伸斷裂能與磨耗性能的關系如圖1～3所示。

從圖1可以看出，SBR的拉伸斷裂能對阿克隆磨耗和DIN磨耗的影響相反，硫化膠的阿克隆磨耗量隨拉伸斷裂能的增大而提高，而DIN磨耗量則隨拉伸斷裂能的增大而近乎呈線性降低。這可能與阿克隆與DIN磨耗機理不同有關。

圖1 SBR磨耗性能與拉伸斷裂能的關系

從圖2可以看出，隨拉伸斷裂能的增大，NR硫化膠的阿克隆和DIN磨耗量均有所下降，但阿克隆磨耗的相關性較差。

圖2 NR磨耗性能與拉伸斷裂能的關系

從圖3可以看出，隨拉伸斷裂能的增大，BR硫化膠的DIN磨耗量基本呈線性下降，但對于阿克隆磨耗而言，這種相關性較差，尤其是SEV體系，明顯偏離擬合曲線。

圖3 BR磨耗性能與拉伸斷裂能的關系

從以上分析可以看出，3種橡膠的拉伸斷裂能都與DIN磨耗有一定的相關性，但與阿克隆磨耗量的相關性較差。為驗證這一結論，以SBR為研究對象（采用表1中EC配方，只改變炭黑種類），探討不同炭黑種類條件下，硫化膠拉伸斷裂能與磨耗性能的關系。N115，N134，N220，N234，N326，N330，N550，N660和N774九種炭黑補強的SBR硫化膠拉伸斷裂能與磨耗性能的關系如圖4所示。

圖4 9種炭黑補強的SBR硫化膠磨耗性能與拉伸斷裂能的關系

從圖4可以看出，拉伸斷裂能與硫化膠的DIN磨耗量有一定的相關性，但與阿克隆磨耗量的相關性較差。

3 結論

（1）SBR，BR和NR硫化膠的DIN磨耗量與其拉伸斷裂能都有一定的相關性，隨拉伸斷裂能的增大，硫化膠的DIN磨耗量下降，耐磨性能提高。

（2）SBR，BR和NR硫化膠的拉伸斷裂能與阿克隆磨耗量的相關性較差。

（3）對于不同種類炭黑補強的SBR，硫化膠的拉伸斷裂能與DIN磨耗量有一定的相關性，而與阿克隆磨耗量的相關性不明顯。這說明拉伸斷裂能與DIN磨耗量的相關性有一定的普適性。